Bài giảng chương 3: Gốm sứ

CHƯƠNG 3 GỐM SỨ ĐỊNH NGHĨA PHÂN LOẠI NGUYÊN LIỆU Nguyên liệu dẻo Nguyên liệu gầy Các nhóm nguyên liệu khác GIA CÔNG VÀ CHUẨN BỊ PHỐI LIỆU TẠO HÌNH SẤY TRANG TRÍ SẢN PHẨM VÀ TRÁNG MEN NUNG ÐỊNH NGHĨA Nguyên liệu Đất sét Cao lanh Sản phẩm Không thuộc nhóm silicate Nguyên liệu dạng bột Kết khối, rắn như đá Nhiều tính quý Cường độ cơ học cao Bền nhiệt Bền hóa Bền điện . . . PHÂN LOẠI Theo cấu trúc & tính chất của sản phẩm Theo mặt hàng Theo lĩnh vực sử dụng Gốm thô Gốm mịn Gốm đặc biệt, ... Gạch ngói Sành Sứ, ... Gốm xây dựng Gốm mỹ nghệ Gốm chịu lửa Sứ cách điện, ... .......... QUY TRÌNH CHUNG NGUYÊN LIỆU GIA CÔNG - PHỐI LIỆU TẠO HÌNH TRANG TRÍ – TRÁNG MEN NUNG SẢN PHẨM SẤY NGUYÊN LIỆU DẺO NGUYÊN LIỆU GẦY NGUYÊN LIỆU KHÁC Cao lanh Ðất sét Thạch anh (quartz) Tràng thạch (fenspat) Họat thạch (talc),... Hợp chất của CaO, BaO, MgO,... Nguyên liệu kỹ thuật: TiO2, Al2O3 Trong công nghiệp ceramic: chủ yếu sử dụng khoáng vô cơ, phi kim loại. Ðặc tính ceramic của khoáng phần lớn được quyết định bởi: * Cấu trúc tinh thể khoáng * Thành phần hóa học của khoáng * Bản chất và hàm lượng khoáng phụ Các khoáng này tạo thành bởi: * Núi lửa * Trầm tích * Biến đổi địa chất Quá trình tạo khoáng phụ thuộc vào: * Nhiệt độ * Áp suất * Thành phấn hóa học NGUYÊN LIỆU DẺO CAO LANH (Kaolin) ĐẤT SÉT (CLAY) NGUỒN GỐC TẠO THÀNH CAO LANH & ÐẤT SÉT * Là sản phẩm phong hóa tàn dư của: - Các loại đá gốc: pegmatit, granite, bazan - Ðá phún trào axit,... * Là sản phẩm của quá trình biến chất, trao đổi các đá gốc cộng sinh * Cao lanh nguyên sinh ????..... * Cao lanh thứ sinh ????.... Hoàng thổ (loess) ÐÁ GỐC CHỨA TRÀNG THẠCH YẾU TỐ ÐỊA CHẤT + MÔI TRƯỜNG QUÁ TRÌNH HÓA HỌC + CƠ HỌC (+ Sinh vật) Độ ẩm Nhiệt độ ....... Phong hoá, rửa trôi, gió cuốn và lắng đọng theo thời gian K2O.Al2O3.SiO2.6H2O + H2O + CO2  K2CO3 + Al2O3.2SiO2.2H2O + SiO2 Tràng thạch Caolinit khoáng sét tràng thạch,SiO2 tự do, CaO và MgO ở dạng cacbonat, FeO và Fe2O3 dưới dạng Fe(OH)3,... Mỏ cao lanh, đất sét (vùng đồi núi dốc hay thung lũng, vùng đất trũng) THÀNH PHẦN HOÁ & THÀNH PHẦN KHOÁNG Là hỗn hợp, gồm nhiều loại khác nhau Là chất riêng biệt Là đơn khoáng Là đa khoáng CÁC KHOÁNG QUAN TRỌNG TRONG CÔNG NGHIỆP GỐM SỨ Nhóm Caolinit (Kaolinite) Công thức phân tử: Al2Si2O5(OH)4 hay Al2O3.2SiO2.2H2O Aluminum Silicate Hydroxide Màu: trắng, hơi lục hay vàng Độ cứng: 1,5 - 2 Khối trọng riêng: 2,6 g/cm3 Thể hiện tính chất giống như đất sét khi trộn với nước Thường nằm chung với các khoáng: fluorite, pyrite halloysite, quartz, muscovite, .... Kaolinite SiO2 46,54% Al2O3 39,5% H2O 13,96% * Kaolinite hầu như không trương nở trong nước, độ dẻo kém Khoáng halloysite Công thức phân tử: Al2O3.2SiO2.4H2O Al2Si2O5(OH)4.2H2O Màu: trắng, hơi vàng, hơi đỏ, hơi nâu hay hơi lục Độ cứng: 2 Khối trọng riêng: 2,55 – 2,65 g/cm3 * Kích thước hạt từ 0,1 – 1 m * Độ phân tán trong nước cao, độ dẻo cao hơn caolinit một ít SiO2 46,54% Al2O3 39,5% H2O 13,96% Khoáng montmorillonite Công thức phân tử: Al2O3.4SiO2.H2O + nH2O (Na,Ca)0,3(Al,Mg)2Si4O10(OH)2·n(H2O) Màu: trắng, trắng xám, vàng, vàng hơi nâu hay vàng hơi lục Độ cứng: 1,5 – 2 Khối trọng riêng: 2 – 2,7 g/cm3 SiO2 43,55 % H2O 36,05 % Na2O 1,13 % CaO 1,02 % Al2O3 18,25 % * Gồm rất nhiều loại.... * Độ phân tán cao, hạt mịn Kích thước 0,06 m chiếm khoảng 10% . Đất sét: 5 – 20 % . Cao lanh: 0,1 – 1,5 % * Trong sản xuất gốm sứ: thường sử dụng đất sét bentonit (có chứa khoáng montmorillonite)  cần chú ý khâu sấy và ủ * Trong nhóm này còn có baydelite Al2O3.3SiO2.H2O cũng tương tự như montmorilonite nhưng chứa nhiều oxit sắt nên ít được sử dụng. Độ dẻo cao Khoáng chứa alkali  Illite hay khoáng sét chứa mica (ngậm nước) * Là những khoáng chính trong nhiều loại đất sét. * Các dạng mica thường gặp: -Muscovite: K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O. -Biotit: K2O.4MgO.Al2O3.6SiO2.H2O * Có độ phân tán cao, trương nở trong nước lớn. Muscovite Công thức phân tử: K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O Màu: trắng, xám, trắng bạc, hơi nâu hay hơi lục Độ cứng: 2 – 2,5 Khối trọng riêng: 2,77 – 2,88 g/cm3 SiO2 45,21 Al2O3 38,36 K2O 11,81 H2O 4,62 Biotite Công thức phân tử: K2O.4MgO.Al2O3. 6SiO2.H2O Màu: nâu tối, nâu hơi lục, nâu hơi đen, vàng, trắng Độ cứng: 2,5 – 3 Khối trọng riêng: 2,8 – 3,4 g/cm3 ĐẶC TÍNH Thành phần hạt: Đặc tính vật liệu ceramic phụ thuộc vào: * Cấu trúc tinh thể, hình dạng, kích cỡ các khoáng sét * Điều kiện tạo thành khoáng: đất sét nguyên sinh/thứ sinh Thành phần và kích thước hạt có ảnh hưởng đến độ co sấy, nung. Xác định thành phần hạt: * Phương pháp Andreasen, * Tia Rơnghen (tia X), tia laser. * Kính hiển vi điện tử cho phép quan sát hình dạng hạt. * Phương pháp cơ học như sàng hay lắng. Phương pháp sàng: * Dùng các sàng với kích cỡ các mắt sàng khác nhau để phân loại hạt đất sét. * Phương pháp này không hiệu quả đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn 10µm. * Thực tế thường phân loại bằng phương pháp ướt. Kích thước hạt Thời gian lắng QUAN HỆ GIỮA THỜI GIAN LẮNG VÀ KÍCH THƯỚC HẠT Phương pháp lắng: (dựa vào định luật stốc) xong Khả năng trương nở thể tích và hấp thụ trao đổi cation * Cấu trúc các silicat là cấu trúc lớp, rất phức tạp và có xảy ra sự thay thế đồng hình các cation trong các lớp. Trong lớp tứ diện SiO44-: Si4+ có khi bị Al3+ hoặc Fe3+ thay thế Trong lớp bát diện Al3+: có thể được thay thế bởi Mg2+, Fe2+… * Làm thay đổi lực liên kết * Điện tích của các cation trung tâm trong từng lớp và giữa các lớp bị thay đổi gây nên sự khác nhau về khái niệm hấp thụ, trao đổi cation và độ trương nở thể tích. * Bầu khí quyển cation bao quanh hạt keo sét có thể bị trao đổi về mặt cation nhưng tổng điện tích không đổi. * Nếu tất cả cation bị H thay thế ta gọi là đất sét hydro hoặc dạng hydro. Nếu tất cả các cation là Na, ta có dạng Na… Khả năng trao đổi ion theo thứ tự sau: H+ > Al3+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > NH+4 >Na+ > Li+ Cân bằng đơn giản: Sét - A+ + B+  Sét - B+ + A+ Sét-Ca2+ + Na2CO3  Sét - Na+ + CaCO3↓ Các silicat ba lớp có khả năng hấp thụ trao đổi cation và trương nở thể tích lớn, có thể lên đến 16 lần so với thể tích lúc đầu khi khan nước.  Đặc tính trao đổi cation và trương nở thể tích đặc biệt quan trọng trong công nghiệp gốm sứ… Hiện tượng hóa keo trong hệ đất sét - nước * Khi nhào trộn với nước, + Các hạt sét giữ lại các ion OH- và H+ tạo thành các hạt keo. + Dấu của mixen keo sẽ phụ thuộc vào hạt sét giữ lại ion nào. Nhiều nghiên cứu cho thấy hạt sét thường tích điện âm: Sét + H – OH → Sét – OH- + H+ * Các ion H+ và OH- phân bố quanh mixen tạo thành một lớp khuếch tán kép quyết định tính bền của hệ keo do sự phân bố và cân bằng giữa điện tích âm trên bề mặt hạt sét và điện tích dương của cation trong pha lỏng. Lớp cation này có thể trao đổi được nhưng lớp hydroxyt (OH-) ít bị anion khác thay thế. Đặc tính của đất sét và cao lanh khi có nước * Độ dẻo của hỗn hợp là do các hiện tượng chính sau: - Khả năng trượt lên nhau của các hạt sét … - Hiện tượng dính kết các hạt sét với nhau thành một khối. * Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẻo: - Độ lớn và hình dạng hạt sét - Cấu trúc khoáng sét. - Sức căng bề mặt của nước. - Khoảng trao đổi cation, pH môi trường. Độ dẻo của đất sét tự nhiên phụ thuộc vào những hạt có kích thước nhỏ. flint 1000 Mulit 3Al2O3.2SiO2 + SiO2 900-1000 Silimanhit Al2O3.SiO2 + SiO2 585 Meta caolinit Al2O3.2SiO2 Kaolinite Al2O3.2SiO2.2H2O Phương pháp cân bằng nhiệt DTG Cho phép quan sát và ghi chép sự mất mát trọng lượng mẫu trong quá trình nung nóng liên tục nhờ vào thiết bị cân bằng nhiệt chuyên môn. Trên giản đồ: - Trục tung ghi lượng hao trọng lượng, %. - Trục hoành ghi nhiệt độ hao trọng lượng… Phương pháp phân tích Rơnghen Cơ sở là hiện tượng nhiễu xạ các tia Rơnghen do các mặt tinh thể có nút mạng cách nhau một khoảng d HIỆN TƯỢNG KẾT KHỐI Là quá trình sít đặc và rắn chắc lại của các phần tử khoáng vật (sản phẩm) dạng bột tơi dưới tác dụng của nhiệt độ, hay áp suất hoặc của cả hai yếu tố. Vật thể kết khối có: * độ bền cơ cao * độ xốp và khả năng hút nước nhỏ * khối lượng thể tích lớn nhất,… Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình kết khối: * Thành phần khoáng * Thàng phần hoá * Bề mặt riêng * Điều kiện gia công, tạo hình, nung,… Kết khối có thể xảy ra: * Pha rắn * Có mặt pha lỏng  mãnh liệt hơn Muốn kết khối tốt: nung ở nhiệt độ 0,8T (T: nhiệt độ nc) Khoảng kết khối: nhiệt độ kết thúc quá trình kết khối - nhiệt độ bắt đầu quá trình kết khối Tính chất của sản phẩm nung đạt giá trị cực đại hay cực tiểu. Tính chất thay đổi đột ngột Các tính chất biểu thị quá trình kết khối: * Khả năng hút nước * Độ xốp * Khối lượng riêng * Độ bền cơ Khoảng kết khối rộng: dễ nung. Khoảng kết khối hẹp: khó nung. Trong công nghiệp khoảng kết khối không nhỏ hơn 500C... Gốm mịn: độ hút nước gần bằng 0 NGUYÊN LIỆU GẦY Thạch anh (SiO2) Dạng tinh thể Dạng vô định hình Cát Sa thạch Đá cuội (flint) Diatomite Quartzit Quartzit xi măng Sự biến đổi thù hình của thạch anh Nóng chảy Tràng thạch (Fenspat/Feldspar ) * Là chất chảy quan trọng nhất trong công nghệ gốm sứ và men. * Là một loại khoáng núi lửa và là thành phần chủ yếu của đá gốc, thông thường nó được trộn lẫn với quartz hoặc mica. * Tràng thạch tự nhiên là một hỗn hợp của nhiều aluminosilicat của Na, K, Ca, Li và đôi khi là Ba và Cs. * Về cấu trúc, tràng thạch là loại silicat dạng khung 3 chiều (Si,Al)O4. * Tỉ lệ: Oxit kiềm: Al2O3: SiO2 = 1: 1: 6 Oxit kiềm thổ: Al2O3: SiO2 = 1: 1: 2 MỘT SỐ KHOÁNG TRÀNG THẠCH THƯỜNG GẶP Albite Công thức phân tử: Na2O.Al2O3.6SiO2 Sodium aluminum silicate Màu: trắng, xám, xám hơi lục, lục hơi xanh Độ cứng: 7 Khối trọng riêng: 2,61 – 2,63 g/cm3 Orthoclase Công thức phân tử: K2O.Al2O3.6SiO2 Potasium Aluminum Silicate Màu: Không màu, hơi lục, vàng hơi xám, trắng, hồng Độ cứng: 6 Khối trọng riêng: 2,56 g/cm3 Anorthite Công thức phân tử: CaO.Al2O3.2SiO2 Calcium aluminum silicate Màu: Không màu, xám, trắng, đỏ, xám hơi đỏ Độ cứng: 6 Khối trọng riêng: 2,72 – 2,75 g/cm3 Plagioclase Công thức phân tử: (Na,Ca)(Si,Al)4O8 Sodium calcium aluminum silicate Màu: trắng, xám, trắng hơi xanh, trắng hơi đỏ, hơi lục Độ cứng: 6 – 6,5 Khối trọng riêng: 2,61 – 2,76 g/cm3 Oligoclase Công thức phân tử: (Na,Ca)(Si,Al)4O8 Sodium calcium aluminum silicate Màu: nâu, không màu, hơi lục, xám, hơi vàng Độ cứng: 7 Khối trọng riêng: 2,64 – 2,66 g/cm3 Microline Công thức phân tử: K2O.Al2O3.6SiO2 Potassium aluminum silicate Màu: lục, lục hơi xanh, xám, vàng hơi xám, hơi vàng Độ cứng: 6 Khối trọng riêng: 2,56 g/cm3 Tính chất của tràng thạch và tác dụng: - Nhiệt độ nóng chảy: 1000 -15320C. - Dạng vật lý: có ánh thủy tinh, màu sắc thay đổi từ trắng, kem, hồng, nâu, đỏ, xám, xanh lá và xanh dương tùy loại. Có thể trong hoặc trắng đục. - Không tan trong kiềm. - Làm giảm nhiệt độ nung xương sứ. - Khi nóng chảy nó hòa tan SiO2 và sản phẩm phân hủy của cao lanh để khi làm lạnh nguội sẽ tái kết tinh tạo mulit hình kim. HOẠT THẠCH (TALC) Công thức phân tử: Mg3Si4O10(OH)2 hay 3MgO.4SiO2.H2O Magnesium Silicate Hydroxide Màu: lục, xám, trắng, hơi vàng, hơi nâu Độ cứng: 1 Khối lượng riêng: 2,6 – 2,8 g/cm3 Hoạt thạch magie Thường dùng để sản xuất: + Gốm cách điện + Ngói + Các loại men + Chất bôi trơn 3MgO.4SiO2.H2O 3(MgO.SiO2) + SiO2 + H2O Meta-silicat 700-9000C CÁC NGUYÊN LIỆU KHÁC ĐÁ VÔI Là thành phần quan trọng trong xương gốm và men (cung cấp chủ yếu CaO) CaCO3 có 3 dạng thù hình: + Canxit (Calcite) + Aragonhit (Aragonite) + Vaterit (Vaterite) Tạp chất lẫn trong đá vôi: Al2O3, SiO2, FeO, Fe2O3  đá có màu Đá phấn: đá vôi có nhiều hạt CaCO3 vô định hình và ít tạp chất  màu trắng Calcite Công thức phân tử: CaCO3 Calcium Carbonate Màu: trắng, không màu, vàng, nâu, hồng Độ cứng: 3 Khối lượng riêng: 2,6 – 2,7 g/cm3 Cấu trúc tinh thể: lục giác Aragonite Công thức phân tử: CaCO3, Calcium Carbonate Màu: trắng, không màu, xám, hơi vàng, hơi đỏ Độ cứng: 3,5 - 4 Khối lượng riêng: 2,95 g/cm3 Cấu trúc tinh thể: dạng hình thoi Chuyển thành calcite từ 1000C trở lên Vaterite Công thức phân tử: CaCO3, Calcium Carbonate Màu: trắng, không màu Độ cứng: 3 Khối lượng riêng: 2,54 g/cm3 Cấu trúc tinh thể: lục giác Dễ phân hủy thành vôi khi nung nóng DOLOMITE Công thức phân tử: CaMg(CO3)2 Màu: trắng, xám, hơi đỏ, hơi nâu Độ cứng: 3,5 - 4 Khối lượng riêng: 2,8 – 2,9 g/cm3 Cung cấp đồng thời CaO và MgO THẠCH CAO Công thức phân tử: CaSO4.2H2O, Hydrated Calcium Sulfate Màu: trắng, không màu, xám Độ cứng: 2 Khối lượng riêng: 2,3 g/cm3 Cấu trúc tinh thể: dạng tấm Quá trình biến đổi của thạch cao CaSO4.2H2O >1000C CaSO4.1/2H2O 1630C CaSO4.1/2H2O >1630C CaSO4 khan CaSO4 Thạch cao chết 800 – 10000C Dẻo và dễ tạo hình hơn Sít đặc và rắn chắc hơn CÁC HỢP CHẤT KHÁC Hợp chất chứa các oxit BaO, TiO2, ZnO2, Al2O3,... Các oxit tạo màu: CoO, Cr2O3, Fe2O3,... Soda ash (Na2CO3) Khoáng borate (chất chảy): Na2B4O7 (kernite), Na2B4O7.10H2O (borax) .............